Die Erforschung der Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie gab im letzten Jahrhundert wesentliche
Anstöße zu einer Wandlung des (physikalischen) Weltbildes. Heute finden sich regelmäßig in den
Wissenschaftsspalten der allgemeinen Journale Berichte zu neuen Forschungen und Erkenntnissen auf diesem Gebiet.
Wichtig ist die Erkenntnis, dass Strahlung und Materie sich gegenseitig bedingen und ein Wandlungsprozess vorliegt, wobei die Massenänderung wegen ihrer Kleinheit
allerdings meist nicht durch Messung erfassbar ist. Auf entsprechende Hinweise zur Relativitätstheorie (E = mc2) sollte nicht verzichtet werden.
Durch diese Unterrichtseinheit wird für die Schülerinnen und Schüler der Zusammenhang zwischen Strahlung und Energietransport (Block 3) vertieft. Die Sammlung der Phänomene unter dem zusammenfassenden Thema fördert das Überblickwissen der Schülerinnen und Schüler.
Der Blick wird über den Rand des sichtbaren Spektrums hinaus erweitert. Anwendungen der Erkenntnisse auf Umwelt und Technik sind durchgängig vorhanden.
Es bestehen viele Anschlussmöglichkeiten an Themen des vierten Blocks:
– Umwelt und Technik:
– Elektronik (Radiowellen, Fotoeffekt), – Solartechnik (Fotoeffekt, Wärmestrahlung)
– Atom- und Kernphysik (radioaktiver Zerfall, Neutrinos, Laser)
Bei mehreren Themen sind altersgemäß angepasste Ausschnitte aus dem Oberstufenstoff möglich und sinnvoll.
Die Behandlung in der Mittelstufe kann die Schülerinnen und Schüler motivieren, in der Oberstufe diese Themen vertiefen zu wollen. Manche Themen sind
fachübergreifend zur Biologie.
Aktuelle Befürchtungen in der Gesellschaft (z.B.
Elektrosmog, UV-Strahlung durch Ozonloch) können zum Anlass genommen werden sich mit diesem Themenkreis zu beschäftigen.
Folgende Phänomene lassen sich unter dem Oberthema Strahlung und Materie behandeln. Die Aufzählung
beansprucht nicht vollständig zu sein. Zwischen den einzelnen Themen bestehen innere Zusammenhänge, so dass sich mehrere Themen je nach Zeitrahmen und Interesse auswählen und zusammenstellen lassen. Auf diese Weise sind viele verschiedene Unterrichtsgänge möglich.
Modernes Weltbild Aktualität
Physik des 20.Jh.
Vertiefung
Überblick
Umwelt und Technik
Einordnung in Physik-Curriculum
verschiedene Unterrichtsgänge
– Direkte Umwandlung von Strahlung in Materie und umgekehrt:
γ-Photon ⇔ Elektron + Positron
als Bestätigung der Einsteingleichung [1, Seite 7f]
– Erzeugung des Lichts in der Sonne
„Nach der Gleichung E=mc2 wird die Sonne in jeder Sekunde um vier Millionen Tonnen leichter“ [1, Seite 8f]
– sichtbares Spektrum, unterschiedliche Spektren von Glühdraht und Sonne,
Rand des sichtbaren Spektrums: IR und UV [2, S.
236ff]
– äußerer Photoeffekt, Photokathode [2, S. 268],
Entstehung von Licht im angeregten Atom [3, S. 236f], Laser [3, S. 288 f]
– Röntgenstrahlung, Lichterzeugung in der Fernsehröhre [2, S. 284ff]
– Schwarze Strahlung – Temperaturstrahlung
Stärkere Temperaturstrahlung durch schwarze Körper, Energietransport ohne Materie, Wechselwirkung mit Körpern durch Absorption, Energieabstrahlung der Erde in den Weltraum, Treibhauseffekt [2, S. 95, S.
97]
– Urknall und Hintergrundstrahlung im Weltraum, Entstehung der Elemente [3, S. 358] ,
Neutrinostrahlung [3, S. 355]
– innerer Photoeffekt, LED, NTC [2, S. 270]
– Ionisierende Strahlung – biologische Wirkung [2, S.286; S.296 ff]
– Elektrosmog – biologische Wirkung Aktualität durch flächendeckende
Empfangsmöglichkeit für Handys und Rundfunk, Möglichkeit der Gewebeerwärmung durch Photonen niederer Energie [Hinweis in 3, S.245]
– Mikrowellen – biologische Wirkung – Ultraschall – biologische Wirkung Literatur
[1] A. Wünschmann, E=mc2 Eine Formel verändert das physikalische Weltbild, Studienverlag Wünschmann, Sonderdruck 2000
[2] Dorn-Bader, Physik Mittelstufe, Schroedel 1996, Druck der Serie A (2000)
[3] Dorn-Bader, Physik Gymnasium Sek II 12/13, Schroedel 2000 Druck A
fachübergreifend mit Biologie
Astronomie und Kosmologie
Die Astronomie beinhaltet viele Themen der Physik und außerdem zentrale Aspekte der Chemie, der Geowissenschaften, der Technik, der Mathematik und Informatik und als älteste Wissenschaft überhaupt auch Teile unserer Kulturgeschichte und der Philosophie. Zugleich ist die Astronomie aktuell und zukunftweisend, wie Projekte der Raumforschung und Satellitentechnik einschließlich innovativer Techniken belegen.
Schülerinnen und Schüler zeigen reges Interesse an Themen aus Astronomie und Raumfahrt, begegnen sie doch hier den
"großen Fragen":
– Was hat zur Entstehung des Universums geführt ? – Gibt es weitere, der Erde ähnliche Planeten ? – Wie entstand das Sonnensystem, wie stabil ist es ?
– Wie lange strahlt die Sonne noch in ihrem jetzigen Zustand?
Astronomische Praktika, wie sie seit Erstellung dieses Rahmenplans an der Hamburger Sternwarte unterrichtsbegleitend für Lerngruppen der Sekundarstufe I (Pflichtunterricht Physik oder Wahlbereich Astronomiekurs) angeboten werden, stellen faszinierende Ergänzungen und eine Bereicherung des Physikunterrichtes dar:
– Der Blick durch ein großes Teleskop ist ein bewegendes Erlebnis; die Schüler können selbstständig digitale Aufnahmen von Himmelskörpern herstellen und anschließend am Computer bearbeiten.
– Darüber hinaus stehen ihnen eine riesige Auswahl von Bildern und Daten (Spektren) zur Verfügung, die von internationalen Observatorien im Internet veröffentlicht werden. Die Schülerinnen und Schüler können diese Daten unter vielfältigen Aspekten mit dem Computer sichten und bearbeiten und so das Internet für selbstständiges Lernen nutzen.
Aus der Themenfülle der Astronomie muss eine Auswahl getroffen werden, die insbesondere das moderne Weltbild (d.h. die astrophysikalischen Erkenntnisse aus dem 20.
Jahrhundert) zu vermitteln erlaubt. Thematische Schwerpunkte können sein:
1. Entstehung der chemischen Elemente
2. Kosmische Evolution der Himmelskörper (zeitliche Endlichkeit der Strukturen, Abkehr vom aristotelischen Weltbild)
3. Aufbau und Größe des Weltalls (hierarchische Strukturen) 4. Unsere Sonne - live und in Zukunft
Es ist möglich, die Themen "Elementarteilchen", "Strahlung und Materie" oder "Relativistische Phänomene" in das Thema
"Astronomie und Kosmologie" zu integrieren.
fachübergreifende Aspekte
Motivation
Praktika
Motivation durch Emotion
Medienerziehung selbstständiges Lernen
Literatur und Material:
Dr. U. Borgeest Materialien zur Begleitung des Projektes Seh Stern, Astrophysik im Schulunterricht, Praktika an der Hamburger Sternwarte (ausführliche Handreichung) weitere Informationen auf der Website http://www.Seh-Stern.de
W. Schlosser Astronomische Musterversuche für die Sekundarstufe I Handreichung zur Einbeziehung der Astronomie in den Naturkunde-,Rechen- und Erdkundeunterricht
G.-D. Schmidt (Hrsg)
Die Sonne - Quelle unseres Lebens
Lehrerheft für den fachübergreifenden Lernbereich
"Naturwissenschaften"
paetec Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin, 1996
Das Schülerheft ist in diesem Lehrerheft integriert.
K. Ullerich Kopiervorlagen, Geräte und Modelle für den Astronomieunterricht
paetec Gesellschaft für Bildung und Technik mbH, Berlin, 1996
P. Bammes R. Herbst
Die Ausstellung Astronomie im Deutschen Museum Deutsches Museum, München, 1994
A. Meyer Astronomie - Kopiervorlagen, Stundenblätter , Sek I Volk und Wissen Verlag GmbH, Berlin, 1999
K. Lindner M. Schukowski
Astronomie
Lehrbuch für die Sekundarstufe I, Arbeitsheft,Lehrerband, Lösungsheft
Volk und Wissen Verlag GmbH, Berlin, 1994/5 K. Lindner
M. Schukowski
Astronomie - Arbeitsheft
Volk und Wissen Verlag GmbH, Berlin, 1995 D. Block Astronomie als Hobby
Sternbilder und Planeten erkennen und benennen Falken-Verlag GmbH, Niedernhausen, 1992 D. Vornholz Astronomie auf Klassenfahrten
Westermann Schulbuchverlag GmbH, Braunschweig, 1992
A. Weiß F.-P. Burkard
Geheimnisvoller Kosmos
Wie Menschen sich die Welt erklärten Verlag Herder, Freiburg, 1994
A. Szabó Das geozentrische Weltbild
Astronomie, Geographie und Mathematik der Griechen dtv 4490, München, 1992
U. Hameyer T. Kapune (Hrsg)
Weltall und Weltbild IPN, Kiel, 1984
G. D. Roth Kosmos-Astronomiegeschichte
Astronomen, Instrumente, Entdeckungen
Franckh´sche Verlagshandlung W.Keller&Co, Stuttgart, 1987
R. Simek Erde und Kosmos im Mittelalter Das Weltbild vor Kolumbus
C.H.Beck´sche Verlagsbuchhandlung, München, 1992 J. Krautter (Hrsg) Die Entstehung der Sterne
Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH&Co, Heidelberg, 1986
J. Herrmann dtv-Atlas zur Astronomie Tafeln und Texte
dtv 3006, München, 1973 J. Hamel
K.-H. Tiemann M. Pape (Hrsg)
Alexander von Humboldt: Über das Universum, Die Kosmosvorträge 1827/28 in der Berliner Singakademie
it 1540, Insel Verlag Frankfurt am Main, 1993 A. Unsöld
B. Baschek
Der neue Kosmos
Springer Verlag, Berlin, 1988 G.D. Roth (Hrsg) Handbuch für Sternfreunde
Wegweiser für die praktische astronomische Arbeit Springer Verlag, Berlin, 1989